Часть II. Обзор структурных уровней

Перед началом второй части курса сделаем краткое напоминание.

Во-первых, в рамках науки о строении вещества все реальные объекты описываются с помощью структурных моделей, основанных на трех фундаментальных понятиях: "частицавзаимодействиеструктура". Наиболее широко используемым является набор общепринятых структурных моделей, образующих иерархический ряд структурных уровней:

Во-вторых, данные структурные модели рассматриваются с физической точки зрения и, соответственно описываются чисто механическими средствами, такими как наблюдаемые и их функции распределения, функции состояния и эволюции, пространство состояний и его элементы: векторы, функции, операторы и т.д. Необходимо помнить, что непосредственное использование таких механических моделей, например, атомов и молекул, для решения химических проблем, является затруднительным. В большинстве случаев требуется "перевод" механической модели в некоторую систему химических понятий.

Элементарные частицы

Первым структурным уровнем, для которого существуют развитые механические модели, являются т.н. элементарные частицы ( ЭЧ ). Использование названия "элементарные" подразумевает следующие два обстоятельства. Во-первых, нам практически ничего не известно о внутреннем устройстве таких частиц и поэтому их можно рассматривать как некоторые неделимые, элементарные объекты, лишенные (внутри себя) механических, т.е. пространственно-геометрических характеристик.

Во-вторых, традиционное понятие структурыосновано на безусловном принятии следующего предположения: в результате достаточно интенсивных внешних воздействий любая структура может быть разложена на составляющие ее частицы, причем набор частиц всегда получается один и тот же. Такой процесс разложения является обратимым: располагая набором частиц, мы всегда можем восстановить структуру в исходном виде. Так, любой химик убежден в том, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и атома кислорода, и причиной его убежденности является то, что он всегда может осуществить обратимый процесс:

Н—О—Н  Н + Н + О

В случае ЭЧ ситуация несколько иная. При внешних воздействиях малой интенсивности они являются совершенно устойчивыми, однако когда интенсивность воздействия превосходит некоторый критичес­кий уровень, наблюдаются разнообразные и необратимые процессы. Так, при столкновении двух быстро движущихся протонов возможно образование 4 протонов, 2 электронов, и некоторых других частиц.

р + р  4р + 2 е + 2 + 

При увеличении энергии исходных протонов число образующихся вторичных частиц значительно увеличивается. Ясно, что предположение о том, что каждый протон состоял из двух протонов и еще некоторых других частиц, не вполне согласуется с общепринятым смыслом понятий "состав" и "структура". Кроме того, указанные процессы являются необратимыми. Такие особенности поведения и дают возможность утверждать, что ЭЧ не имеют структуры в общепринятом смысле этого термина. Разумеется, существуют определенные основания считать, что какое-то внутреннее устройство имеется и у ЭЧ, однако для описания такого устройства требуются совсем другие подходы и модели, которые должны принципиально отличаться от механических

С феноменологической точки зрения ЭЧ отличаются многообразием — известно несколько тысяч различных типов частиц. При этом, множество ЭЧ является вполне упорядоченным, что проявляется в следующих осо6енностях:

а) физические характеристики ЭЧ во многих случаях изменяются упорядочено, образуя серии численных значений, что дает возможность выделять среди всего множества ЭЧ т. н. "мультиплеты" — группы ЭЧ с закономерно изменяющимися свойствами.

б) большинство ЭЧ являются неустойчивыми, короткоживущими объектами, самопроизвольно распадающимися с образованием других ЭЧ. При этом процессы распада отличаются строгой упорядоченностью, что позволяет связывать ЭЧ друг с другом в ряды, в которых предыдущая частица распадается с образованием следующей за ней. Можно отметить, что практически все такие ряды заканчиваются либо электроном, либо протоном, которые являются единственными ЭЧ с неограниченным временем жизни. В зависимости от того, к какому ряду принадлежит частица — электронному или протонному, их разделяют на лептоныибарионы.